"LA RIVISTA DELL' UNAE" - Organo Ufficiale dell'Unione Nazionale degli Albi di Qualificazione degli Installatori Italiani; N°44 Marzo 1999
Autore ing. Claudio Tonellato

L'installazione degli scaricatori di sovratensione in Media Tensione negli stabilimenti industriali

 

Sunto:
Si evidenzia l'opportunità di installare scaricatori di sovratensione a protezione della rete elettrica interna di stabilimento. Nell'eventualità che l'Ente erogatore fornisca energia elettrica in media tensione, si analizzano i rischi, i costi ed i benefici tra l'installare una sola terna di scaricatori nel quadro generale di arrivo linea e, soluzione consigliata, l'installare terne di scaricatori direttamente ai morsetti di ciascun trasformatore.

Un grosso stabilimento industriale è usualmente collegato ad una linea di distribuzione ENEL in media tensione (es. 15kV o 20 kV o altro) che alimenta una o più cabine di trasformazione di proprietà del cliente.

NORMATIVE CEI 81-4
In relazione alla eventualità che lo stabilimento e la sua rete elettrica possa essere interessata da fenomeni di sovratensione pericolose prodotte da fulmini è obbligatorio procedere ad una verifica mediante una valutazione dei rischi secondo le recenti normative CEI 81-4 che, lo rammentiamo, ipotizzano i seguenti quattro tipi di rischio: perdita di vite umane (tipo1), perdita inaccettabile di servizio pubblico (tipo 2), perdita di patrimonio culturale insostituibile (tipo 3) e perdite economiche (tipo 4).
Le normative di cui sopra fanno esplicito riferimento alle sovratensioni causate da fulminazioni dirette (anche indirette, ma per fenomeni induttivi collegati ad una fulminazione diretta) e consentono di individuare la necessità o meno di proteggere un'edificio con un'impianto parafulmine o gabbia di Faraday. In genere, in presenza di un'impianto parafulmine, compaiono anche dispositivi di sovratensione; in alcuni casi la sola installazione di qualche scaricatore di sovratensione (ad es. sulla linea di alimentazione in ingresso) può consentire di evitare l'impianto parafulmine; nella maggioranza dei casi sia l'impianto parafulmine o la gabbia di Faraday sia gli scaricatori di sovratensione non risultano necessari, secondo una stretta applicazione delle normative CEI 81-4 sopra richiamate (fabbricati "autoprotetti").
Le modalità di valutazione di cui sopra hanno basi probabilistiche (non potrebbe essere altrimenti, in tema di fulmini), cioè le protezioni possono non risultare necessarie come da calcolo in quanto la probabilità che cada un fulmine in una data area è bassa in relazione ai danni che detto fulmine potrebbe provocare. Non vi è tuttavia certezza che detto spiacevole evento non possa effettivamente accadere; proteggersi totalmente e da tutto è peraltro impossibile e, comunque, con costi che crescono esponenzialmente.

SISTEMA DI PROTEZIONE CONTRO LE SOVRATENSIONI
Sottolineato che l'analisi del rischio secondo gli obblighi normativi delle CEI 81-4 è finalizzata agli eventi di grossa entità con danno immediato ed evidente ("fulminazioni dirette"), resta da chiedersi se sia comunque utile allestire o no un sistema di protezione della rete elettrica interna di uno stabilimento contro le varie sovratensioni causate da manovre di organi quali interruttori e contattori ("sovratensioni di manovra") o da guasti sulle linee oppure, quelle più frequenti, per induzione in cavi elettrici immersi in campi magnetici causati da fulmini ("sovratensioni per fulminazione indiretta"), anche se l'energia associata a queste onde di sovratensione è limitata e raramente porta a guasti immediati, chiaramente ricollegabili ad un preciso fenomeno (quale, ad es., un fulmine appena caduto nelle vicinanze od un ripristino non coordinato della tensione di linea).
La risposta è sicuramente positiva se solo si analizzano le probabilità di invecchiamento rapido degli isolamenti degli impianti elettrici che vengono interessati dal passaggio delle onde di sovratensione (NB: sovratensione = invecchiamento rapido dell'isolamento); assai attuali sono inoltre i malfunzionamenti dell'elettronica associata agli impianti, notoriamente più sensibile alle sovratensioni, che si esprimono con improvvisi ed inspiegabili blocchi del computer o della macchina a controllo numerico (dopo un reset, tutto funziona normalmente, senza una apparente logica spiegazione) quando non con guasti alle schede elettroniche, anche se i guasti spesso non sono immediati ma si verificano dopo il passaggio di parecchie onde di sovratensione con valore di cresta limitato (hanno l'effetto di un martello pneumatico).
Se poi si compara il beneficio della messa in sicurezza di uno stabilimento con i costi assai contenuti di un sistema di scaricatori (con scaricatori ad ossidi di zinco senza intervallo d'aria di Classe 1 - 10 kA nominali e 100 kA massimi secondo le norme IEC 99-4 il costo del materiale per mettere in sicurezza un trasformatore è di poco superiore ad un milione di Lire!) la decisione di bloccare all'ingresso i picchi di sovratensione non può che essere adottata.
Si rammenta che uno scaricatore di sovratensione ad ossidi di zinco ("MOV" = metal oxide varistor), il più attuale, è in pratica una resistenza collegata tra fase e terra; il valore della resistenza è molto elevato a tensione nominale e molto basso al passaggio dell'onda di sovratensione; il funzionamento è altamente ripetitivo in quanto il dispositivo si ripristina automaticamente alle condizioni iniziali dopo il passaggio dell'onda di sovratensione; esso funziona come uno sfioratore di sovratensione, non crea buchi di tensione, scarica verso massa buona parte dell'energia associata all'onda di sovratensione.
Le normative internazionali di riferimento sono le IEC 99-4.

L'INSTALLAZIONE DEGLI SCARICATORI AGLI ARRIVI LINEA
Assodato perciò che, anche se non imposto dalle CEI 81-4, è impiantisticamente valido proteggere la rete elettrica interna di uno stabilimento mediante un'opportuna serie di scaricatori di sovratensione, il primo e basilare nodo ove dovranno essere installati detti dispositivi è quello relativo al circuito di arrivo linea, sia esso in bassa o in media tensione: tramite l'arrivo linea infatti possono penetrare nella rete interna di stabilimento sia le sovratensioni di manovra sia quelle indirette da fulmine (per le eventuali sovratensioni dirette da fulmine vale la CEI 81.4, come detto in precedenza).
Quando l'arrivo linea è in media tensione è attuale abitudine installare una terna di scaricatori di sovratensione in corrispondenza dell'interruttore generale di arrivo linea (in media tensione), indipendentemente dal numero di trasformatori che a questo sottendono.
La soluzione che dovrebbe essere adottata è quella invece di installare una terna di scaricatori in media tensione direttamente sul trasformatore o, se vi sono più trasformatori, su tutti i singoli trasformatori che "vedono" la linea esterna di alimentazione dell'Ente erogatore di energia elettrica, indipendentemente degli organi di sezionamento, dagli interruttori, dai paralleli e quant'altro collegato a monte.
Si analizzano qui di seguito i vantaggi e gli svantaggi delle due soluzioni, mettendo in relazione i parametri: rischi/soluzioni e costi/benefici.
Definiamo:
  "QAL" la soluzione di una terna di scaricatori installati sul quadro di arrivo linea e
  "TR" la soluzione di terne di scaricatori installate direttamente sui trasformatori, una terna per ciascun trasformatore.

A) RISCHI/SOLUZIONI:

A.1) GUASTO DELLO SCARICATORE

Nota tecnica: Lo scaricatore di sovratensione "MOV" si guasta quando la quota parte dell'onda di sovratensione che lo attraversa durante la scarica, diretta verso massa, ha valori energetici superiori ai valori massimi ammissibili dallo scaricatore (a causa del valore della corrente di scarica o per la durata dell'onda di scarica o per la ripetitività in tempi brevissimi di più onde di scarica; l'equivalente termico della/e onda/e di sovratensione che interessa lo scaricatore non deve superare cioè i kJoule ammessi per il tipo di scaricatore installato). Quando si guasta, il disco "MOV" dello scaricatore non è più in grado di ripristinare il blocco del circuito verso massa una volta che l'onda di sovratensione è passata, generando pertanto un corto circuito permanente di rete verso massa. Gli attuali scaricatori "MOV" in media tensione in caso di guasto si auto-escludono dal circuito, consentendo con ciò il ripristino della tensione in rete con la richiusura dell'interruttore di linea (che si era in precedenza aperto per il corto circuito verso massa causato dal guasto dello scaricatore). Da rilevare che un guasto di uno scaricatore di Classe 1 secondo le IEC 99-4 non deve essere visto come un'avvenimento drammatico: se non ci fosse stato lo scaricatore con molta probabilità si sarebbe guastato il circuito primario del trasformatore!

Soluzione "QAL":
Nell'ipotesi assai frequente di più trasformatori in parallelo, in caso di guasto di anche uno solo dei tre scaricatori unipolari di sovratensione, scatta l'interruttore generale di arrivo linea e tutta la rete dello stabilimento viene de-energizzata.
Non sempre il personale di manutenzione è in grado di effettuare un'immediato ripristino, talvolta alcune produzioni non possono essere interrotte e comunque è un disservizio che è consigliabile evitare.
La sostituzione inoltre dello scaricatore guasto con uno nuovo impone di operare senza tensione e quindi fuori orario di produzione; in attesa di trovare il momento opportuno per effettuare l'intervento di sostituzione dello scaricatore guasto, la linea non ha protezione.

Soluzione "TR":
Sempre nell'ipotesi di più trasformatori in parallelo, un'eventuale guasto di uno scaricatore mette fuori servizio il solo trasformatore ove è installato detto scaricatore, lasciando tutti gli altri in funzione. Con opportuni dimensionamenti e tramite paralleli, è sempre possibile continuare ad alimentare i circuiti ad alta priorità, anche quelli di potenza. Il ripristino totale della rete presenta in questo caso meno criticità.

A.2) INSTALLAZIONE DELLO SCARICATORE
Nota Tecnica: E' basilare per il buon funzionamento di uno scaricatore che i collegamenti tra scaricatore, linea e terra siano i più corti possibili e con minimo effetto autoinduttivo, cioè senza anse. Non solo. Anche una considerevole distanza tra il morsetto del trasformatore da proteggere ed il morsetto dello scaricatore di protezione può diminuire (quando non annullare, con parecchie decine di metri) il benefico effetto di detta protezione. Infatti, quando un'onda di sovratensione incontra uno scaricatore, questa viene spianata dallo scaricatore (NB: la "tensione residua" ha un valore ben maggiore di quello della tensione nominale di linea (vedere le tabelle relative alle prestazioni edite dai costruttori), tale comunque da essere egregiamente sopportato dagli isolamenti dei cavi, degli interruttori e dei circuiti del trasformatore). L'energia dell'onda è in buona parte scaricata a terra. Al morsetto del trasformatore viene perciò ad essere applicata la tensione residua imposta dallo scaricatore. Nei primi istanti il trasformatore appare con forte effetto capacitivo ed una elevata corrente (magnetizzante) va a caricare la capacità del trasformatore, limitata solo dalla induttanza del circuito. La tensione ai capi del trasformatore sale dal valore nominale di rete al valore imposto dallo scaricatore (tensione residua), questo non immediatamente ma tramite un breve transitorio (carica della capacità del trasformatore); quando tuttavia al morsetto del trasformatore viene raggiunto il valore della tensione residua imposta dallo scaricatore, l'induttanza del tratto di cavo che collega il morsetto dello scaricatore con quello del trasformatore, a causa del passaggio della corrente, ha immagazzinato energia induttiva che impone la continuazione per una breve durata del flusso di corrente (fino a che detta energia non si sia trasferita dalla induttanza del cavo alla capacità del trasformatore, dissipazioni a parte). Ciò causa sul trasformatore un picco di tensione che va a sommarsi al valore della tensione residua. Il valore di detto picco dipende dalle forme d'onda e dalle caratteristiche di intervento dello scaricatore, dalle caratteristiche costruttive del trasformatore e, importante, dalla lunghezza del cavo che unisce il morsetto dello scaricatore con quello del trasformatore. Più rapido è il fronte d'onda della sovratensione residua e maggiore è la lunghezza del predetto collegamento tra scaricatore e trasformatore, maggiore sarà il valore del picco aggiuntivo di tensione sul trasformatore.

Soluzione "QAL"
Se il/i trasformatore/i è/sono molto vicino/i al quadro generale di arrivo linea ove è stata installata la terna di scaricatori, gli extra picchi di tensioni sono limitati.
Se invece, come è usuale quando vi sono più trasformatori all'interno dello stabilimento, alcuni di essi sono distanti (anche qualche centinaio di metri) dal quadro di cui sopra, per questi ultimi gli extra picchi di sovratensione diminuiscono od annullano la protezione rappresentata dallo scaricatore di arrivo linea, ciò che comporterà comunque l'installazione di altri scaricatori posizionati più vicino.

Soluzione "TR"
Se ciascun trasformatore ha installato uno scaricatore vicino a ciascuno dei tre morsetti, il problema di cui sopra non può porsi ed il livello di protezione è il migliore tecnicamente possibile.

B) COSTI/BENEFICI

Ribadiamo quanto già in precedenza accennato in merito al costo degli scaricatori di sovratensione, e cioè che una terna di scaricatori in media tensione di ottima qualità (es. di marca Cooper Power Systems - U.S.A.) ad ossidi di zinco ("MOV") di Classe 1 da 10 kA nominali e 100 kA massimi secondo le normative internazionali IEC 99-4, esecuzione per esterno, ha un costo di mercato, completi di ausiliari, di poco superiore ad 1 (uno) milione di Lire (+ IVA).

Soluzione "QAL"
Il costo corrisponde alla somma tra il costo del materiale (una sola terna di scaricatori) ed il costo della loro installazione all'interno di un pannello in M.T.
Il beneficio per il minor costo complessivo è limitato in relazione a quanto detto in precedenza al paragrafo A).

Soluzione "TR"
Nel caso di un solo trasformatore bisogna valutare la differenza tra i costi di installazione degli scaricatori direttamente sul trasformatore tramite tre semplici staffe e quelli invece per la loro installazione nel pannello in M.T., quest'ultima in genere analoga.
A parità di costo si evidenzia il beneficio di un più sicuro livello di protezione.
Nel caso di più trasformatori, ovviamente i costi del materiale sono superiori essendovi una terna di scaricatori per ciascun trasformatore ma, in relazione a quanto sopra detto al paragrafo A), i vantaggi sono notevolmente superiori rispetto alla soluzione "QAL", specificatamente poi se le cabine di trasformazione non sono situate tutte nelle immediate vicinanze del quadro generale di arrivo linea.
Il maggiore costo complessivo è comunque assai contenuto, non paragonabile ai benefici ottenibili.

P.S.: Per ciascun trasformatore, si consiglia di installare anche uno scaricatore tripolare "MOV" in bassa tensione direttamente sui morsetti in B.T. del trasformatore, ottenendo (con poca spesa) una doppia barriera di protezione del trasformatore stesso

NB: se la linea in B.T. ha tratti esterni esposti sufficientemente lunghi, sovratensioni possono raggiungere il trasformatore per tramite dei cavi in bassa tensione!